background image

Biohydrometalurgia - laboratorium 

A. Pawłowska 2011 

- 1 - 

Ćwiczenie nr 2, 3, 4.  

Kinetyka wzrostu bakterii Acidithiobacillus ferrooxidans

 

 
Wst
ęp teoretyczny 
 
Na  początku  lat  pięćdziesiątych  dwudziestego  wieku  z  kwaśnych  wód  kopalnianych  wyodrębniono  bakterie 
Thiobacillus  ferrooxidans,  obecnie  nazywane  Acidithiobacillus  ferrooxidans.  Są  to  gram-ujemne  pałeczkowate 
komórki o wymiarach 0,5x1,0 µm, które czerpią energię z procesu utleniania żelaza (II) do żelaza (III), ale także 
z  utleniania  siarki,  siarkowodoru,  siarczków  i  tiosiarczanów.  Bakterie  te  pozyskują  węgiel  z  CO

2

,  azot  zaś  ze 

związków  amonowych.  Bakterie  Acidithiobacillus  ferrooxidans  są  mikroorganizmami  mezofilnymi,  rozwijają 
się w temperaturze około 30ºC, optymalne pH roztworu hodowlanego wynosi 2,0-2,5. 
 

 

 
Utlenianie jonów żelaza (II) może być reakcją enzymatyczną. Enzymatyczny  mechanizm  utleniania żelaza (II) 
przez Acidithiobacillus ferrooxidans wymusza bezpośredni kontakt jonów Fe

2+

 z komórką mikroorganizmu. Dla 

wyjaśnienia tego zjawiska przyjęto hipotezę chemio osmotyczną. Zakłada ona, że elektrony zostają przekazane 
od  jonów  Fe

2+

  do  Fe  (II)  oxydoreduktazy  cytochromowej  następnie  do  cytochromu  c.  Kolejnym  nośnikiem 

elektronów  jest  cząsteczka  białka  ruscytycyjanina,  która  może  przenosić  elektrony  z  oksydoreduktazy 
cytochromowej  i    cytochromu  c  do  oksydazy  cytochromowej.  Mechanizm  ten  umożliwia  transport  elektronów 
przez błonę cytoplazmatyczną ściany komórkowej. Ze zredukowanego cytochromu c elektrony są przekazywane 
do oksydazy cytochromowej aa3, która reaguje z O

2

 i jonami H

+

, co prowadzi do utworzenia cząsteczki wody. 

Schematycznie drogę elektronów w procesie enzymatycznego utleniania żelaza (II) przedstawia rysunek poniżej. 
 

 

 
Proces  adsorpcji  jonów  żelaza  lub  manganu  przebiega  po  zewnętrznej  stronie  błony  komórkowej.  Anionowe 
polimery wytwarzane przez wiele bakterii mogą adsorbować jony żelaza (II), a w środowisku obojętnym także 
powstałe hydroksykationy Fe (III): Fe(OH)

2+

 i Fe(OH)

2

+

Wykazano  empirycznie,  że  proces  bioutleniania  jonów  Fe

2+

  jest  reakcją  pierwszego  rzędu.  Szybkość  takiej 

reakcji jest równa: 

]

[

]

[

2

2

+

+

=

Fe

k

dt

Fe

d

 

Gdzie k jest stałą szybkości procesu bioutleniania. 

Komórki Acidithiobacillus ferrooxidans 

background image

Biohydrometalurgia - laboratorium 

A. Pawłowska 2011 

- 2 - 

Rozwiązaniem  równania  różniczkowego  jest  funkcja:  ln[Fe

2+

]

t

/[Fe

2+

]

kt,  gdzie  [Fe

2+

]

t

  jest  stężeniem  jonów 

Fe

2+

 po upływie czasu t, [Fe

2+

]

jest stężeniem początkowym żelaza. Wykres zależności ln[Fe

2+

]

t

/[Fe

2+

]

od czasu 

trwania procesu bioutleniania t jest linią prostą. Z jej nachylenia można odczytać wartość k. Wielkość ta zależy 
od początkowego stężenia jonów Fe

2+

. Szybkość procesu bioutleniania wzrasta wraz ze wzrostem stężenia jonów 

Fe

2+

, maleje zaś ze wzrostem stężenia jonów Fe

3+

 
Mikroorganizmy,  które  są  w  stanie  wiązać  jony  żelaza  we  wnętrzu  komórki,  nazywamy  organizmami 
magnetotaktycznymi.  Należą  do  nich:  Magnetospirillum  magnetotacticum,  Magnetospirillum  gryphiswaldense 
Magnetobacterium  bavaricum.  W  komórkach  tych  bakterii  dochodzi  do  biosyntezy  nanocząstek  magnetytu 
(Fe

3

O

4

). Kształt tych nanocząstek przypomina regularne sześciany. Są one ułożone wzdłuż komórki co sprawia, 

ż

e komórki bakterii reagują na działanie ziemskiego pola magnetycznego. 

 
W mechanizmie transportu żelaza przez błonę cytoplazmatyczną do wnętrza komórki, oprócz syderoforów biorą 
udział białka pery plazmatyczne i receptorowe, zlokalizowane po obu stronach błony cytoplazmatycznej. Proces 
transportu  zaczyna  się  od  utworzenia  kompleksu  żelaza  z  syderoforem  wydzielonym  prze  komórkę,  Następnie 
kompleks żelazo-syderofor łączy się z białkiem receptorowym.  Żelazo oddziela się od syderoforu i przechodzi 
przez błonę cytoplazmatyczną. Wewnątrz komórki następuje redukcja żelaza (III) do żelaza (II). 
 
Nieenzymatyczne utlenianie jonów żelaza 
 
Wiele  mikroorganizmów  może  utleniać  żelazo  (II)  w  sposób  nieenzymatyczny  w  wyniku  zmiany  potencjału 
redoks lub pH środowiska. Wszystkie mikroorganizmy, których działanie powoduje wzrost pH środowiska przez 
zużywanie  soli  kwasów  organicznych  lub  tworzenie  soli  amonowych  z  białek,  sprzyja  procesowi  utleniania 
ż

elaza (II). Przykładem są następujące reakcje: 

R - CH(NH

2

)COOH + H

2

O + 1/2O

2

 = R – C(O) – COOH + NH

4

+

 + OH

aminokwas   

 

 

ketokwas 

 

C

3

H

5

O

3

-

 + 3O

2

 = 3CO

2

 + 2H

2

O + OH

         mleczan 

Działanie mikroorganizmów światłolubnych, takich jak cyjanobakterie (sinice) i algi może sprzyjać procesowi 
utleniania żelaza (II) przez dostarczenie dodatkowej ilości tlenu powstającego w procesie fotosyntezy lub przez 
zwiększenie pH środowiska. Obserwowany wzrost wartości pH można wyjaśnić następującymi reakcjami: 

2HCO

3

-

 = CO

3

2-

 + CO2 + H

2

CO

3

2- 

+ H

2

O = HCO

3

-

 + OH

-

 

 
Celem    ćwiczenia  jest  zbadanie  kinetyki  wzrostu  oraz  ocena  aktywności  utleniającej  bakterii  Acidithiobacillus 
ferrooxidans

 
 
 
Odczynniki i roztwory 
 

1.

 

Składniki pożywek (Tabela 1, 2, 3); 

2.

 

Inokulum Acidithiobacillus ferrooxidans; 

3.

 

5 M H

2

SO

4

 
 

TYDZIEŃ I 

 
 

Wykonanie  
 
Doświadczenie należy rozpocząć od wykonania 0,5 L podłoża 9 K, według Tabeli 1. 
 
Doprowadzić pH roztworu II do wartości 1,9 stosując 5M H

2

SO

4

. Użyć pH-metru. Zmieszać rozwory, ponownie 

sprawdzić  pH  i  w  razie  potrzeby  doprowadzić  do  pH  1,9.  Całość  dokładnie  wymieszać  bagietką.  Następnie 
pobrać 100 mL pożywki i przenieść do trzech kolb o pojemności 250  mL. Dodać inokulum  w ilości 10%  v/v. 
Całość dobrze wymieszać. Ze  wszystkich kolb pobrać próby do analiz na zawartość jonów żelaza (1 mL) oraz 
oznaczenia  ilości  białka  (1  mL).  Należy  również  zmierzyć  pH  i  Eh  roztworów.  Następnie  przygotować  korki  
z  waty i zamknąć  nimi  kolby. Tak przygotowane  hodowle  umieścić    w inkubatorze z  wytrząsaniem (120 rpm, 
35ºC) na okres 4 dni. 

      

background image

Biohydrometalurgia - laboratorium 

A. Pawłowska 2011 

- 3 - 

  Tabela 1.  Skład podłoża hodowlanego 9K Silvermana-Lundgrena 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Analizy 
 
Każdego dnia hodowli należy wykonać: 
- analizę jonów żelaza (II) i (III); 
- oznaczenie białka; 
- pomiar pH i Eh. 
 
Instrukcje do wykonania analiz na stronie 5. 
 

 

 
 

TYDZIEŃ II 

 
 

Wykonanie  
 
Sporządzić pożywkę płynną 2K. Jej skład przedstawiono w Tabeli 2: 
 

 

Tabela 2.  Skład podłoża hodowlanego 2K Silvermana-Lundgrena 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
Doprowadzić  pH  roztworu  II  do  wartości  1,9  z  użyciem  5M  H

2

SO

4

.  Użyć  pH-metru.  Zmieszać  rozwory, 

ponownie  sprawdzić  pH  i  doprowadzić  do  pH  1,9.  Całość  dokładnie  wymieszać  bagietką.  Następnie  pobrać  
100 mL pożywki  i przenieść  do trzech kolb o pojemności  250 mL. Dodać inokulum  w ilości 10% v/v.  Całość 
dobrze  wymieszać.  Ze  wszystkich  kolb  pobrać  próby  do  oznaczenia  ilości  białka  (1  mL).  Należy  również 
zmierzyć  pH  i  Eh  roztworów.  Następnie  przygotować  korki  z  waty  i  zamknąć  nimi  kolby.  Tak  przygotowane 
hodowle umieścić inkubatorze z wytrząsaniem (120 rpm, 35ºC) na okres 4 dni. 
 
Analizy 
 
Każdego dnia hodowli, podobnie jak w poprzednim tygodniu, należy wykonać: 
- analizę jonów żelaza (II) i (III); 
- oznaczenie zawartości białka; 
- pomiar pH i Eh. 
 
Instrukcje do wykonania analiz na stronie 5. 
 
 
 
 

SKŁAD CHEMICZNY 

ROZTWÓR I 

ROZTWÓR II 

H

2

700 ml 

300ml 

(NH

4

)

2

SO

3,0 g 

KCl 

0,1 g 

K

2

HPO

4

 

0,5 g 

MgSO

4

7H

2

0,5 g 

Ca(NO

3

)

 0,01 g 

FeSO

4

7H

2

44,8 g 

SKŁAD CHEMICZNY 

ROZTWÓR I 

ROZTWÓR II 

H

2

700 mL 

300 mL 

KH

2

PO

4

 

0,5 g 

MgSO

4

 

.

 7H

2

0,5 g 

FeSO

4

 

7 H

2

9,95 g 

background image

Biohydrometalurgia - laboratorium 

A. Pawłowska 2011 

- 4 - 

 

 

TYDZIEŃ III 

 
 

Wykonanie  

 
W tym doświadczeniu, hodowlę bakterii Acidithiobacillus ferrooxidans  należy prowadzić na pożywce 0K. Jej 
skład przedstawiono w Tabeli 3: 

 

Tabela 3.  Skład podłoża hodowlanego 0K Silvermana-Lundgrena 

 
 
 
 
 
 
 
 
Doświadczenie  należy  rozpocząć  od  wykonania  0,5 L  podłoża  0 K,  według  tabeli  powyżej.  Doprowadzić  pH 
roztworu do wartości 1,9 z użyciem 5M H

2

SO

4

. Pożywkę wymieszać, pobrać  po 100 mL i przenieść do trzech 

kolb o pojemności 250 mL. Dodać inokulum  w ilości 10% v/v. Całość dobrze wymieszać. Ze wszystkich kolb 
pobrać  próby  do  oznaczenia  ilości  białka  (1  mL).  Należy  również  zmierzyć  pH  i  Eh  roztworów.  Następnie 
przygotować  korki  z  waty  i  zamknąć  nimi  kolby.  Tak  przygotowane  hodowle  umieścić  inkubatorze  z 
wytrząsaniem (120 rpm, 35ºC) na okres 4 dni. 
 
Analizy 
 
Każdego dnia hodowli należy wykonać: 
- analizę jonów żelaza (II) i (III); 
- analizę na białko; 
- pomiar pH i Eh. 
 

 

Instrukcje do wykonania analiz na stronie 5. 
 

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

SKŁAD CHEMICZNY 

ROZTWÓR I 

H

2

1000 ml 

K

2

HPO

4

 

0,1 g 

MgSO

4

7H

2

0,1 g 

background image

Biohydrometalurgia - laboratorium 

A. Pawłowska 2011 

- 5 - 

 

Oznaczanie zawartości białka w próbkach. 

 

 

Odczynniki i roztwory 
 
1)

 

Roztwór roboczy Folina i Ciocalteua; 

2)

 

Odczynnik Lowry’ego.

 

 

 
Do  1  mL  próbki  dodać  1  ml  odczynnika  Lowry’ego,  wymieszać  (vortex)  i inkubować  przez  20  minut  
w  temperaturze  pokojowej.  Po  upływie  20  minut  dodać  0,5  ml  fenolowego  odczynnika  Folina-Ciocalteua. 
Dobrze  wymieszać. Próby pozostawić  w  temperaturze pokojowej przez okres 30  minut. Po tym   czasie należy 
przenieść roztwory do kuwet i odczytać absorbancję przy 750 nm względem próby kontrolnej, jako odnośnika.  
 
Nale
ży pamiętać o jednoczesnym przygotowaniu próby kontrolnej, w której zamiast roztworu białka stosuje 
się wodę dejonizowaną (1 mL) oraz te same odczynniki i procedurę, co w pozostałych próbach.  

 

Na  podstawie  krzywej  wzorcowej,  przygotowanej  na  poprzednich  zajęciach,  odczytać  zawartość  białka  
w poszczególnych próbkach.  
 

 

  

Oznaczanie jonów Fe

2+

 i Fe

3+

 metodą miareczkową 

 
Odczynniki i roztwory 

 
1)

 

Mianowany roztwór EDTA o stężeniu 0,025M; 

2)

 

Kwas sulfosalicylowy - wskaźnik do miareczkowania; 

 

 

Wykonanie analizy 
 
 

Do  kolbki  Erlenmeyera    o  pojemności  100  mL,  pobrać  1  mL  wodnego  roztworu  zawierającego  jony  Fe

2+

  

i  Fe

3+

.  Następnie  dodać  30  ml  wskaźnika  i  ogrzać  do  temperatury  80

°

C  (widoczne  pęcherzyki  gazu). 

W obecności jonów Fe

3+

 barwa roztworu staje się bordowa. Próbkę miareczkować na gorąco roztworem EDTA 

do zmiany barwy z bordowej na słomkową. Stężenie jonów Fe

3+

 obliczyć z równania: 

                                                               

 

 
 

 
Następnie  do  zmiareczkowanego  roztworu  dodać  szczyptę  nadsiarczanu  amonu  jako  utleniacza.  Ilość 
nadsiarczanu amonu powinna być tak dobrana, aby po zakończonym miareczkowaniu i wprowadzeniu śladowej 
ilości utleniacza, barwa roztworu nie uległa zmianie. Jeżeli w roztworze obecne są jony Fe

2+

 roztwór ponownie 

zmieni  barwę  na  bordową  (następuje  utlenianie  jonów  Fe

2+

  do  Fe

3+

).  W  takim  wypadku  roztwór  należy 

ponownie miareczkować 0,025M EDTA, a stężenie jonów Fe

2+

 obliczyć ze wzoru: 

 

396

,

1

]

[

]

/

[

2

=

+

ml

V

l

g

C

EDTA

Fe

 

396

,

1

]

[

]

/

[

3

=

+

ml

V

l

g

C

EDTA

Fe